Почему солнце осенью ниже чем летом
Солнце в разное время года
Солнце — это главный источник тепла и единственная звезда нашей Солнечной системы, которая, подобно магниту, притягивает все планеты, спутники, астероиды, кометы и прочих «обитателей» космоса.
Расстояние от Солнца до Земли более 149 миллионов километров. Именно эту удаленность нашей планеты от Солнца принято называть астрономической единицей.
Несмотря на значительное удаление, эта звезда оказывает огромное влияние на нашу планету. В зависимости от положения Солнца на Земле день сменяет ночь, лето приходит на смену зиме, возникают магнитные бури и образуются удивительнейшие полярные сияния. А самое главное — без участия Солнца на Земле невозможен был бы процесс фотосинтеза — основного источника кислорода.
Положение Солнца в разные времена года
Наша планета движется вокруг небесного источника света и тепла по замкнутой орбите. Этот путь схематично можно представить себе в виде вытянутого эллипса. Само Солнце располагается не в центре эллипса, а несколько в стороне.
Земля то приближается, то удаляется от Солнца, завершая полный оборот по орбите за 365 дней. Ближе всего к светилу наша планета находится в январе. В это время расстояние сокращается до 147 млн.км. Точка земной орбиты, ближе всего расположенная к Солнцу, называется «перигелий».
Чем ближе располагается Земля к Солнцу, тем больше освещается Южный полюс, а в странах южного полушария начинается лето.
Ближе к июлю наша планета максимально удаляется от главной звезды Солнечной системы. В этот период удаленность больше 152 млн.км. Самая далекая от Солнца точка земной орбиты получила название «афелий». Чем дальше земной шар находится от Солнца, тем больше света и тепла получают страны северного полушария. Тогда здесь наступает лето, а, например, в Австралии и Юной Америке господствует зима.
Как Солнце освещает Землю в разное время года
Освещение Земли Солнцем в разное время года напрямую зависит от удаленности нашей планеты в данный промежуток времени и от того, каким «боком» повернута Земля в этот момент к Солнцу.
Важнейший фактор, влияющий на смену времен года — земная ось. Наша планета, вращаясь вокруг Солнца, успевает в то же время поворачиваться вокруг собственной воображаемой оси. Эта ось расположена под углом в 23,5 градуса к небесному светилу и всегда оказывается направленной на Полярную звезду. Полный оборот вокруг земной оси занимает 24 часа. Осевое вращение обеспечивает также смену дня и ночи.
Кстати, если бы этого отклонения не было, то времена года не сменяли бы друг друга, а оставались постоянными. То есть, где-то царило бы постоянное лето, в других районах была постоянная весна, третья часть земли вечно бы поливалась осенними дождями.
Под прямыми лучами Солнца в дни равноденствия оказывается земной экватор, в то время, как в дни солнцестояния солнце в зените будет на широтах 23,5 град., плавно приближаясь в остальное время года к нулевой широте, т.е. к экватору. Солнечные лучи, падающие отвесно, приносят больше света и тепла, они не рассеиваются в атмосфере. Поэтому жители стран, расположенных на экваторе, никогда не знают холода.
Полюса земного шара попеременно оказываются в лучах Солнца. Поэтому на полюсах полгода длится день, а полгода — ночь. Когда освещенным оказывается Северный полюс, то в северном полушарии наступает весна, сменяющая летом.
В следующие полгода картина меняется. К Солнцу оказывается обращенным Южный полюс. Теперь в южном полушарии начинается лето, а в странах северного полушария воцаряется зима.
Дважды в год наша планета оказывается в таком положении, когда солнечные лучи одинаково освещают ее поверхность от Крайнего севера до Южного полюса. Эти дни называются днями равноденствия. Весеннее отмечают 21 марта, осеннее —23 сентября.
Еще два дня в году получили названия солнцестояния. В это время Солнце оказывается или максимально высоко над горизонтом, или максимально низко.
В северном полушарии 21 или 22 декабря наступает ночь, длящаяся дольше всех в году — это день зимнего солнцестояния. А 20 или 21 июня, наоборот, день является самым длинным, а ночь самой короткой — это день летнего солнцестояния. В южном полушарии все происходит наоборот. Там в декабре длинные дни, а в июне — длинные ночи.
Осеннее равноденствие
Да — это сегодня — 22 сентября.
Равноденствие — особенная дата. Вблизи неё день и ночь сравниваются по продолжительности на всей Земле — на всем Земном шаре. И уже на следующий день что-то одно — день или ночь — в разных районах планеты вновь начинают различаться по продолжительности. И чем дальше, тем сильнее. Но здесь есть два значимых исключения.
На экваторе планеты продолжительность дня и ночи всегда равны — в любой день календаря. На полюсах в момент равноденствия наступает полярный день, либо полярная ночь — до следующего равноденствия.
Есть смысл помнить, что 22 сентября осеннее равноденствие только для северного полушария. А в южном оно — весеннее. То есть в Австралии, Южной Америке, Южной оконечности Африки и Антарктики после 22 сентября день будет длиннее ночи, Солнце будет подниматься над горизонтом выше, погода будет все теплее (в среднем по полушарию). Если говорить совсем просто, там наступает весна. Ну, а у нас — осень.
Существует несколько условных сезонных разграничений.
Общепринятое — календарное — подразумевает, что осень наступает 1 сентября. В астрономии началом осеннего сезона считается именно осеннее равноденствие. И до этого дня у астрономов все еще продолжалось лето. Но большинство людей предпочитают жить по погоде, и правильно делают. Ни календарные даты, ни звезды не дадут вам правильной рекомендации относительно того, в чем выходить на улицу и брать ли с собой зонт. Хотя стоит отметить, что именно астрономические причины (положение Земли на орбите вокруг Солнца) являются основными в объяснении смены сезонов.
Из-за чего наступает осень?
Вопреки тому, что Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, разность расстояний от Земли до Солнца на погоде практически не сказывается, и причиной смены сезонов быть не может. В действительности, за год дистанция между Землей и Солнцем меняется незначительно — в пределах 3%.
В июле Землю и Солнце разделяют 152 миллиона километров, а в январе — 147. Обратите внимание на то, что зимой мы к Солнцу ближе. Хотя стоит отметить, что речь о той зиме, которая в северном полушарии. А в южном полушарии Земли в это время лето.
И вот сейчас мы вроде бы немного приближаемся к Солнцу, а за окном холодает. Как это можно объяснить?
Объясняется смена сезонов на нашей планете наклоном её оси вращения по отношению к плоскости земной орбиты.
Я прекрасно понимаю, насколько заумным кажется предыдущее предложение. Именно поэтому в школах на уроке природоведения использовали не словесное объяснение, а демонстрацию явления смены сезонов с помощью несложного прибора — теллурия. Лучше один раз увидеть.
Теллурий — модель системы “Солнце — Земля”. Он показывает, каким образом Солнце освещает Землю, какое из полушарий Земли — северное или южное — освещается интенсивнее. Поскольку использовать этот прибор во время чтения статьи не представляется возможным, нам придется ограничиться рисунками. Надеюсь, они будут достаточно наглядными.
Первое, что надо уяснить — ось суточного вращения Земли направлена в сторону Полярной звезды, расположенной в созвездии Малой медведицы. А ось земной орбиты направлена в сторону головы Дракона в одноименном созвездии. Между этими направлениями 23,5 градуса.
Полюбуйтесь
Обращаясь вокруг Солнца Земля сохраняет направление оси вращения в пространстве. И в течении года — за счет упомянутого наклона — наша планета как будто поочередно подставляет солнечным лучам то северное полушарие, то южное. В промежуточные моменты — таких два — оба полушария освещаются одинаково.
В чем разница?
В величине угла падения солнечных лучей.
Лучи падающие перпендикулярно поверхности Земли, нагревают её сильнее, а падающие вскользь, едва ли способны нагреть что-то. И дело тут не в свойствах лучей, или их нежелание делиться энергией с косо подставленными поверхностями, а в количестве этих лучей.
Лучи считать мы не будем.
Само слово “лучи” — фигура речи.
Вместо них правильно говорить и световом потоке. Чем шире поток, тем больше в нем энергии.
Давайте посмотрим, сколько (сравнительно) энергии достается единице площади, на которую поток падает перпендикулярно, и — под некоторыми углами. Примем ширину потока, падающего на нашу эталонную площадку перпендикулярно за 100%. Тогда на ту же площадку, но под углом, например, 45 градусов падает поток в полтора раза более узкий. Разница заметная — это не те 3%, в пределах которых меняется интенсивность солнечного излучения для самой близкой и самой дальней точек орбиты Земли.
Примечание: на самом деле не 3% — зависимость от расстояния квадратичная и обратная. То есть, в наиболее удаленной точке своей орбиты Земля получает от Солнца не на 3% тепла меньше, а на 6,5%.
100 х ( 1 — ( 147 / 152 )^2 )
Но дальше мы увидим, что сезонные различия интенсивности получаемой от Солнца энергии, вызванные разницей угла падения солнечных лучей, гораздо более существенные.
Солнце бывает в зените только в экваториальной полосе Земного шара, ограниченной северным и южным тропиком. Сами эти линии на глобусе Земли — северный и южный тропик — обозначают широту, на которой Солнце может наблюдаться в зените (точно над головой, и на высоте 90 градусов над горизонтом) в дни зимнего и летнего солнцестояний.
К северу или к югу от этой зоны, ограниченной линиями тропиков солнце в зените не бывает. А поскольку территория России лежит вне линии тропиков, то нигде в нашей стране (и даже на территории бывшего СССР) Солнце не поднимается в зенит. Увы, мы довольно северная страна. И хотя люди иногда говорят (особенно во время летнего зноя), что “Солнце в зените”, но это не более, чем преувеличение.
В каких же пределах изменяется высота Солнца в течении года в разных районах России?
Самая южная точка России расположена на границе с Азербайджаном, в горах Кавказа — вблизи вершины Базардюзю (4466 метров). Широта этих мест составляет приблизительно 41 градус. Небесный экватор здесь поднимается над точкой юга на высоту 49 градусов. А Солнце в день летнего солнцестояния еще на 23,5 градуса выше. Получается 72,5 градуса. До зенита не хватает еще 17,5. Но для большинства людей такая высота над горизонтом — Солнца или Луны — любого небесного объекта — будет восприниматься как “прямо над головой”. Неподготовленные наблюдатели не способны измерять зенитное расстояние точно.
В самых северных районах России и акватории Северного Ледовитого Океана (она тоже значительной своей частью — вплоть до Северного полюса — принадлежит нашей стране) может не взойти вовсе. Это называется полярной ночью. Вопреки распространенным заблуждениям, длится полярная ночь полгода лишь точно на полюсе. А в остальных районах внутри полярного круга — значительно меньше. На самом полярном круге (широта 66,5 градусов) полярная ночь длится лишь одни сутки. И то — определенной долей условности. Но её продолжительность возрастает по мере приближения к полюсу.
Летом на Северном полюсе Солнце поднимается на высоту 23,5 градуса (в день летнего солнцестояния), а в день осеннего равноденствия оказывается точно на горизонте, после чего прячется за него, чтобы появится вновь в день весеннего равноденствия — через те самые полгода.
В городах, расположенных за полярным кругом — например, в Мурманске (расположенном на широте 69 градусов) — Солнце уходит в зимнюю спячку чуть более, чем на полтора месяца — с конца ноября до середины января. И летом солнце в этих суровых краях не поднимается выше 45 градусов.
Но это — экстремальные примеры. Для большинства городов России и их жителей высота солнца и интенсивность солнечного тепла меняется в иных пределах. И наиболее характерные значения соответствуют столице России — Москве.
В Москве 21 июня — в день летнего солнцестояния высота Солнца над горизонтом достигает 57,5 градусов. И именно об этом некоторые москвичи говорят “Солнце в зените”, хотя до зенита ему еще довольно далеко.
Зимой же — в день зимнего солнцестояния — 21 декабря высота солнца не превышает 11 градусов. Разница существенная.
Давайте теперь сравним, сколько солнечной энергии (в процентах, конечно), получает столица России в сравнении с теми местами, где Солнце в зените, и его лучи падают совершенно отвесно — перпендикулярно поверхности Земли.
Оказывается, в самый солнечный день поток солнечного излучения на широте Москвы (56 градусов) составляет 80% от максимально возможного. Летом мы почти на экваторе, если применимо такое сравнение. Но только вблизи дня солнцестояния.
Зимой же жители средней полосы России получают что-то около 20% от “экваториального тепла” — в 5 раз меньше!
И вот это существенно. Это не 6% разницы за счет расстояния. Это более чем в 5 раза меньше солнечного тепла за счет наклона оси вращения. Прибавьте к этому короткую продолжительность зимнего дня — всего 6 часов против 17 часов летом, и частую густую облачность.
Вот теперь вы понимаете, почему сезонные изменения столь значительны.
Впрочем, не везде они таковы.
В упомянутой уже экваториальной зоне Земного шара никаких сезонных изменений нет. Там Солнце каждый день поднимается на значительную высоту над горизонтом. И день практически равен ночи в течении всего года.
Давайте теперь посмотрим на ситуацию со стороны. Ведь, до этого момента мы принимали различные высоты Солнца над горизонтом как данность. Но за счет чего это происходит?
Обратимся к нашему “теллурию” вновь, и рассмотрим подробно каждое из его сезонных положений.
Вот, день осеннего равноденствия, который мы встречаем сегодня. Мы видим Землю со спины, но даже так заметно, что она полюса — северный и южный — несмотря на наклон оси вращения Земли, имеют равнозначное положение по отношению к световому потоку, идущему от Солнца — он касается того и другого полюса вскользь, северное и южное полушария освещены равнозначно.
Через три месяца, двигаясь по орбите, наша планета достигнет точки зимнего солнцестояния. На этом изображении видно, что северное полушарие отвернуто от Солнца, а вместе с ним и территории России располагается так, что солнечные лучи касаются её вскользь. Нетрудно догадаться, что согреть её солнечным лучам не удастся. Зато прекрасно видна освещенная солнцем Антарктида — у пингвинов самые разгар антарктического лета. Между прочим побережье Антарктиды лежит в тех же широтах, что и средняя полоса России, только — в южном полушарии. И можно даже предположить, что в нашем климате пингвины чувствовали себя просто замечательно.
Три месяца спустя день вновь догоняет ночь по продолжительности — наступает равноденствие, но на этот раз весеннее. Вновь отчетливо видно, что северное и южное полушария освещены Солнцем примерно одинаково. Солнце одновременно освещает и Северный ледовитый океан, и Антарктиду. Но в Антарктиде наступает полярная ночь, а в акватории Северного ледовитого океана — полярный день.
И вот мы добрались до лета — Земля оказалась в той точке своей орбиты, в которой наклон оси вращения способствует интенсивному освещению солнечными лучами северного полушария планеты. Видна европейская часть России, обращенная к солнцу — его лучи падают на поверхность в направлении близком к перпендикулярному. Это день летнего солнцестояния, который для астрономов является и началом астрономического лета.
По календарю лето наступает 1 июня, но земная атмосфера инертна — она успевает прогреться лишь к июлю месяцу. А в августе, увы, она уже начинает остывать. Хотя даже в октябре еще случаются довольно теплые дни, ведь нередко в наши северные широты залетают ветры из южных стран, принося с собой приятные сюрпризы.
Ведь в южном полушарии нашей планеты сезоны полностью противоположны. Когда к нам приходит осень, по ту сторону экватора наступает весна. А когда у нас сугробы и метель, в Австралии и Аргентине царит жаркое лето.
И все это — благодаря наклону оси вращения нашей планеты — 23,5 градуса.
Будь он чуть меньше, и никакой ярко выраженной смены сезонов на Земле не было бы — всюду была бы примерно одинаковая погода. И если бы при этом жизнь на нашей планете появилась и достигла в своем развитии интеллектуальных высот, это были бы совсем другие — непохожие на нас — существа.
А если бы наклон оси вращения был бы — наоборот — чрезмерно большим, как у планеты Уран?
Тогда одно из полушарий практически полгода освещалось отвесными лучами Солнца, в то время как другое находилось бы полгода в тени. Климат был бы очень жесткий, с высоким контрастом температур — испепеляющая жара сменялась бы лютым холодом, а сокрушающие все на своем пути ветры в короткое межсезонье устремлялись через экватор в противоположное полушарие, порождая чудовищные штормы планетарного масштаба.
Но мы имеем то, что имеем. И — хоть это и удивительно — Вселенная создала для нас очень благоприятные условия. Бывает, что осенью мы грустим из-за затяжных дождей, но наша грусть в полной мере компенсируется мягкостью искрящегося на Солнце снега, весенним щебетанием птиц и летним теплом и благоуханием природы.
В Солнечной системе есть только одна планета, на которой в некоторой степени происходят похожие на земные сезонные изменения. Это планета Марс. И хотя сейчас она непригодна для жизни, но по ряду своих особенностей она похожа на Землю. Сутки на Марсе длятся лишь на полчаса дольше земных, а наклон оси вращения составляет 25 градусов. Благодаря этому на Марсе есть смена сезонов — тают полярные шапки, меняется цвет ряда областей, очевидно под влиянием высвобождения из грунта углекислоты и воды. В атмосфере появляются облака — они, как и на земле состоят из микроскопических кристаллов водяного льда. Температурный амплитуды на Марсе в разы больше земных. И если на Земле между жарким летним днем и морозной зимней ночью может быть разница в 60 градусов (что само по себе уже немало), то на Марсе это будет все 120. Но даже в этом суровом мире холодных красных пустынь летом на экваторе температура может достигать вполне земных +30.
Глядя на Марс в телескопы, изучая его с помощью автоматических станций, мы видим очень много процессов родственных земным. Смена сезонов на красной планете — одна из тех параллелей, которые сближают наши миры. Увидев, как это происходит на Марсе мы можем быть уверены, что причины смены сезонов на Земле мы разгадали правильно.
Теперь на очереди понять, что привело марсианский климат к практически непригодному для жизни состоянию. Это для нас тоже важно, ведь при всей стабильности космических орбит и умеренности солнечной активности, климат на Земле в последние годы заметно меняется. И это уже не только сезонные изменения. Узнать причины этих изменений для человечества очень важно. Без этих знаний мы рискует однажды оказаться в положении гипотетических марсиан, не сумевших сохранить равновесие своего мира.
Но пока мы имеем перед собой два примера — пример равновесия природных процессов на Земле, и пример некогда нарушенного равновесия на Марсе, — нам есть из чего выбирать.
Музыкальное приложение
Времена года — не моя музыкальная тема. И все же у меня есть есть очень осенний альбом, который полон созвучных шелесту рыжей листвы настроений. Я писал его осенью 2015 года, но завершить работу смог только ближе к осени 2020.
Альбом называется «AMBER 2015». Янтарь — очень осенний по смыслу минерал — символ впадания в анабиоз или спячку. Какая-то часть земной жизни засыпает осенью. И отходящие ко мну живые существа не знают, удастся ли им пробудиться. Примерно об этом эта странная музыка.
Но независимо от этих философских раздумий и по-осеннему печальных настроений, в мир обязательно придет весна.
Летом Солнце ближе к Земле, чем зимой. Это неправда.
Начнем с того, что расстояние между Солнцем и Землей действительно не является постоянным, а меняется в течение года. Это связано с тем, что Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а «почти по кругу». Фигура, которую представляет собой орбита Земли, как и орбиты всех других планет нашей Солнечной системы, называется эллипсом.
В целом орбиты планет могут быть сколь угодно вытянутыми. Такую орбиту, в частности, имеет Плутон, который во время плутонианского лета приближается к Солнцу на расстояние «всего» 4,5 миллиарда километров, а «зимой» удаляется от Солнца на 7,5 миллиардов. К слову, год на Плутоне длится 250 лет. Если бы орбита Земли была бы похожа на орбиту Плутона, то видимый размер Солнца на небе в течение года менялся бы в два раза, а потоки тепла и света, падающие на Землю зимой и летом, различались бы в 4 раза. Средняя температура на Земле зимой была бы около минус 50 °C на экваторе, а у полюсов — в районе минус 150 °C, и, скорее всего, эти строки просто некому было бы читать.
К счастью, орбита Земли — это почти круг. Среднее расстояние от Солнца до Земли составляет почти 150 миллионов километров (свет проходит это расстояние чуть более чем за 8 минут). В ближней точке орбиты Земля приближается к Солнцу на 2,5 миллиона километров, а в дальней точке удаляется на такое же расстояние. Соответствующее изменение расстояния составляет всего 1,5%. На такую же долю меняется видимый размер диска Солнца на небе в течение года. Разумеется, большинство людей этого даже не замечает.
И все же, когда Солнце ближе всего к Земле — летом или зимой? Ответ на это вопрос известен: Земля проходит через ближнюю точку своей орбиты каждый год примерно в одно и то же время — почти сразу после новогодних праздников, около 3–4 января.
Иными словами, в это время на небе можно увидеть Солнце максимально большого размера. Становится ли в этот день хоть немного теплее? Строго говоря, да, так как близость к Солнцу увеличивает среднюю температуру на 2–3 градуса, но, конечно же, смена времен года при той орбите Земли, которую мы имеем, никак не связана с расстоянием до Солнца.
Гораздо более важной в нашей земной жизни является высота Солнца над горизонтом и, как следствие, плотность падающих на поверхность Земли солнечных лучей. А она, особенно на высоких широтах, на которых находится большая часть нашей страны, меняется в течение года не на 1–2%, а в несколько раз.
Впрочем, есть и гораздо более простой способ понять, что времена года никак не связаны с расстоянием до Солнца. Достаточно вспомнить, что январь является центральным месяцем зимы лишь в северном полушарии. В южном полушарии на это же самое время приходится пик лета.
Соответственно, для большинства жителей той же Южной Америки тот факт, что Солнце ближе всего в январе, вероятно, не кажется таким удивительным, как для нас.
Информацию предоставил Сергей Богачев, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН